Czysta energia, produkty chemiczne i paliwa z węgla – ocena

Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla
__________________________________________________________
Czysta energia, produkty chemiczne
i paliwa z węgla
– ocena potencjału rozwojowego
pod redakcją:
Tadeusza Borowieckiego,
Jacka Kijeńskiego,
Jacka Machnikowskiego
i Marka Ściążko
Zabrze – 2008
SPIS TREŚCI
1. WPROWADZENIE .......................................................................................................17
2. POTENCJAŁ PRZEMYSŁU WYDOBYWCZEGO, CHEMICZNEGO I ENERGETYKI .............21
2.1. ZASOBY WĘGLA KAMIENNEGO .....................................................................................21
2.2. ZASOBY WĘGLA BRUNATNEGO .....................................................................................27
2.3. STAN ROZWOJU PRZEMYSŁU PRZETWÓRCZEGO ...............................................................29
2.3.1.
2.3.2.
2.3.3.
2.3.4.
2.3.5.
Przemysł chemiczny ........................................................................................................... 29
Przemysł koksowniczy ........................................................................................................ 36
Elektroenergetyka i ciepłownictwo ....................................................................................... 47
Przemysł węgli aktywnych .................................................................................................. 55
Przemysł elektrod węglowych ............................................................................................. 58
3. KIERUNKI ROZWOJU CZYSTYCH TECHNOLOGII WYTWARZANIA ENERGII, PALIW I
PRODUKTÓW CHEMICZNYCH....................................................................................65
3.1. SKUTKI TECHNICZNO-EKONOMICZNE WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ
Z USUWANIEM CO2 ...................................................................................................65
3.1.1. Warianty technologiczne usuwania CO2 ............................................................................... 66
3.1.2. Usuwanie ditlenku węgla przed spalaniem ........................................................................... 68
3.1.3. Usuwanie ditlenku węgla po spalaniu................................................................................... 70
3.2. STRUKTURA PROCESOWA POLIGENERACYJNYCH UKŁADÓW TECHNOLOGICZNYCH
WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ I PRODUKTÓW CHEMICZNYCH ................................77
3.2.1. Operacje i procesy jednostkowe .......................................................................................... 77
3.2.2. Typowe konfiguracje technologiczne ................................................................................... 80
3.3. EFEKTYWNOŚĆ EKONOMICZNA RÓŻNYCH UKŁADÓW TECHNOLOGICZNYCH ZE ZGAZOWANIEM WĘGLA83
3.3.1.
3.3.2.
3.3.3.
3.3.4.
Zgazowanie
Zgazowanie
Zgazowanie
Zgazowanie
w celu wytwarzania energii elektrycznej ............................................................ 83
w celu wytwarzania energii elektrycznej i paliw ciekłych ..................................... 87
w celu wytwarzania energii elektrycznej i wodoru .............................................. 90
węgla w celu wytwarzania energii elektrycznej i metanolu .................................. 92
4. ZGAZOWANIE WĘGLA................................................................................................97
4.1. STAN ROZWOJU TECHNOLOGICZNEGO .............................................................................97
4.1.1.
4.1.2.
4.1.3.
4.1.4.
Klasyfikacja układów zgazowania ........................................................................................ 97
Stan rozwoju komercyjnych technologii zgazowania ............................................................. 99
Technologie zgazowania w reaktorach dyspersyjnych ......................................................... 105
Podstawowe kierunki i potrzeby rozwojowe........................................................................ 109
4.2.1.
4.2.2.
4.2.3.
4.2.4.
4.2.5.
4.2.6.
Reaktywność i właściwości fizykochemiczne polskich węgli kamiennych i brunatnych .................... 115
Przygotowanie paliw do zgazowania...................................................................................... 131
Zgazowanie węgla w atmosferze bogatej w parę wodną .......................................................... 139
Hydrozgazowanie węgla...................................................................................................... 151
Zgazowanie w układzie tlenkowej pętli chemicznej .................................................................. 160
Modelowanie procesów zgazowania ...................................................................................... 170
4.2. PROBLEMY BADAWCZO-ROZWOJOWE ............................................................................115
15
5. PRZYGOTOWANIE GAZU PROCESOWEGO DO SYNTEZY ........................................ 189
5.1. STAN ROZWOJU TECHNOLOGII OCZYSZCZANIA I PRZETWÓRSTWA GAZU PROCESOWEGO ....... 189
5.1.1.
5.1.2.
5.1.3.
5.1.4.
Technologie oczyszczania gazu ze zgazowania węgla............................................................... 191
Konwersja CO ................................................................................................................... 196
Stosowanie reaktorów membranowych ................................................................................. 198
Reforming węglowodorów z parą wodną i ditlenkiem węgla...................................................... 200
5.2. PROBLEMY BADAWCZO-ROZWOJOWE ......................................................................... 207
5.2.1.
5.2.2.
5.2.3.
Technologie absorpcyjne oczyszczania gazów procesowych z H2S i CO2 ...................................... 207
Proces i katalizatory konwersji tlenku węgla ........................................................................... 214
Katalizatory reformingu gazu wieloskładnikowego dla reaktora ogrzewanego
gazem procesowym (GHR) .................................................................................................. 218
5.2.4. Katalizatory reformingu aerozoli smołowych zawartych w gazach ze zgazowania węgla ....... 222
5.2.5. Reaktory membranowe do otrzymywania gazów syntezowych i wodoru ................................. 227
6. SYNTEZA PALIW MOTOROWYCH ORAZ PÓŁPRODUKTÓW CHEMICZNYCH .......... 235
6.1. STAN ROZWOJU TECHNOLOGICZNEGO ........................................................................ 235
6.1.1.
6.1.2.
6.1.3.
Gaz syntezowy do celów paliwowo-energetycznych .............................................................. 235
Przetwórstwo gazu syntezowego do celów chemicznych ....................................................... 236
Założenia strategii energochemicznej dla Polski.................................................................... 237
6.2.1.
6.2.2.
Synteza Fischera-Tropscha................................................................................................. 238
Przetwarzanie węglowodorowych produktów syntezy Fischera-Tropscha
na komponenty paliw silnikowych ....................................................................................... 259
Synteza eteru dimetylowego z gazu syntezowego ................................................................ 270
Synteza metanolu ............................................................................................................. 281
Syntezy z wykorzystaniem eteru dimetylowego .................................................................... 286
Metanol – surowiec do syntez węglanów ............................................................................. 290
Syntezy z zastosowaniem metanolu – węglowodory ............................................................. 303
Wytwarzanie wodoru z metanolu – nowe katalizatory ........................................................... 315
Metody otrzymywania amin ............................................................................................... 319
6.2. PROBLEMY BADAWCZO-ROZWOJOWE ......................................................................... 238
6.2.3.
6.2.4.
6.2.5.
6.2.6.
6.2.7.
6.2.8.
6.2.9.
7. ZAAWANSOWANE MATERIAŁY WĘGLOWE I HYBRYDOWE Z WĘGLA ................... 324
7.1. STAN ROZWOJU TECHNOLOGICZNEGO ........................................................................ 324
7.1.1.
7.1.2.
Surowce karbochemiczne w technologii materiałów węglowych ............................................. 324
Perspektywiczne kierunki badań i możliwości stosowania materiałów węglowych
pochodzenia karbochemicznego ......................................................................................... 329
7.2. PROBLEMY BADAWCZO-ROZWOJOWE ......................................................................... 335
7.2.1.
7.2.2.
7.2.3.
7.2.4.
7.2.5.
7.2.6.
7.2.7.
7.2.8.
7.2.9.
16
Paki węglowe w technologii materiałów węglowych .............................................................. 335
Adsorbenty węglowe do usuwania specyficznych zanieczyszczeń z wody ................................ 341
Sorbenty mineralno-węglowe ............................................................................................. 347
Węglowe katalizatory i nośniki katalizatorów ........................................................................ 351
Adsorbenty węglowe w magazynowaniu paliw gazowych ...................................................... 358
Magazynowanie energii cieplnej w materiałach węglowych ................................................... 362
Materiały węglowe do elektrochemicznych źródeł prądu ....................................................... 366
Kompozyty wegiel/węgiel (C/C) do zastosowania w technologiach
wysokotemperaturowych i w bioinżynierii .......................................................................... 374
Nanowłókna węglowe do katalizy i kompozytów polimerowych .............................................. 377